今年初，美國國家科學(xué)院、工程院和醫學(xué)院聯(lián)合發(fā)布了題為Science Breakthroughs to Advance Food and Agricultural Research by 2030的研究報告，描述了美國科學(xué)家眼中農業(yè)領(lǐng)域亟待突破的五大研究方向。
1. 整體思維和系統認知分析技術(shù)是實(shí)現農業(yè)科技突破的首要前提
農業(yè)系統是復雜巨系統，已經(jīng)很難再依靠“點(diǎn)”上的技術(shù)突破實(shí)現整體提升。報告建議將跨學(xué)科研究和系統方法作為解決重大關(guān)鍵問(wèn)題的首選項。系統認知就是要從系統的要素構成、互作機理和耦合作用來(lái)探索問(wèn)題解決的途徑。“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”，農業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)突破必須突破單要素思維，從資源利用、運作效率、系統彈性和可持續性的整體維度進(jìn)行思考。
我國農業(yè)生態(tài)效率不高、競爭力不強、生態(tài)不可持續的問(wèn)題主要是在土地資源的利用方式上。因此，農業(yè)領(lǐng)域的科技突破需要從土地資源的治理、修復、提升入手。
2. 新一代傳感器技術(shù)將成為推動(dòng)農業(yè)領(lǐng)域進(jìn)步的底層驅動(dòng)技術(shù)
量值定義世界，精準決定未來(lái)。美國將高精度、精準、可現場(chǎng)部署的傳感器以及生物傳感器的開(kāi)發(fā)、應用作為未來(lái)技術(shù)突破的關(guān)鍵。當前傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛應用在農業(yè)領(lǐng)域，但主要還集中在對單個(gè)特征如溫度的測量上，如果要同時(shí)了解整個(gè)系統運行的機理，連續監測多個(gè)特征的聯(lián)動(dòng)能力才是關(guān)鍵。
值得注意的是，新一代傳感器技術(shù)不僅僅包括對物理環(huán)境、生物性狀的監測和整合，更包括運用材料科學(xué)及微電子、納米技術(shù)創(chuàng )造的新型納米和生物傳感器，對諸如水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動(dòng)植物、環(huán)境時(shí)的循環(huán)運動(dòng)過(guò)程進(jìn)行監控。
新一代傳感器所具備的快速檢測、連續監測、實(shí)時(shí)反饋能力，將為系統認知提供數據基礎，賦予人類(lèi)“防治未病”的能力，即在出現病癥前就能發(fā)現問(wèn)題、解決問(wèn)題。如果能在資源要素的利用環(huán)節即可精準發(fā)現和定量識別可能出現的風(fēng)險問(wèn)題，并能夠實(shí)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調整，將徹底改變我國農業(yè)生產(chǎn)利用方式。因此，新一代傳感器技術(shù)將是我國必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)。
3. 數據科學(xué)和信息技術(shù)是農業(yè)領(lǐng)域的戰略性關(guān)鍵技術(shù)
數據科學(xué)和分析工具的進(jìn)步為提升農業(yè)領(lǐng)域研究和知識應用提供了重要的突破機遇。報告稱(chēng)，盡管收集了大量糧食、農業(yè)、資源等各類(lèi)數據，但由于實(shí)驗室研究和生產(chǎn)實(shí)踐中的數據一直處于彼此脫節的狀態(tài)，缺乏有效的工具來(lái)廣泛使用已有的數據、知識和模型。大數據、人工智能、機器學(xué)習、區塊鏈等技術(shù)的發(fā)展，提供了更快速地收集、分析、存儲、共享和集成異構數據的能力和高級分析方法。
換句話(huà)說(shuō)，數據科學(xué)和信息技術(shù)能夠極大地提高對復雜問(wèn)題的解決能力，將農業(yè)、資源等相關(guān)領(lǐng)域的大量研究成果應用在生產(chǎn)實(shí)踐中，在動(dòng)態(tài)變化條件下自動(dòng)整合數據并進(jìn)行實(shí)時(shí)建模，促進(jìn)形成數據驅動(dòng)的智慧管控。
4. 突破性的基因組學(xué)和精準育種技術(shù)應當鼓勵并采用
隨著(zhù)基因編輯技術(shù)的出現，有針對性的遺傳改良可以以傳統方法無(wú)法實(shí)現的方式對植物和動(dòng)物進(jìn)行改良。通過(guò)將基因組信息、先進(jìn)育種技術(shù)和精確育種方法納入常規育種和選擇計劃，可以精確、快速地改善對農業(yè)生產(chǎn)力和農產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響的生物性狀。
這種能力為培育新作物和土壤微生物、開(kāi)發(fā)抗病動(dòng)植物、控制生物對壓力的反應，以及挖掘有用基因的生物多樣性等打開(kāi)了技術(shù)大門(mén)。應當鼓勵并采用其中一些突破性技術(shù)，提高農業(yè)生產(chǎn)力、抗病抗旱能力以及農產(chǎn)品的營(yíng)養價(jià)值。
5.微生物組技術(shù)對認知和理解農業(yè)系統運行至關(guān)重要
通過(guò)近年來(lái)大量的研究報道，我們知道了人體微生物對身體健康的重要性，相比而言我們對農業(yè)中土壤、植物和動(dòng)物的微生物組及其影響還不夠了解。隨著(zhù)利用越來(lái)越復雜的工具探測農業(yè)微生物組，美國有望在未來(lái)十年實(shí)現突破性進(jìn)展，建立其農業(yè)微生物數據庫，更好地理解分子水平土壤、植物和動(dòng)物微生物組之間的相互作用，并通過(guò)改善土壤結構、提高飼料效率和養分利用率以及提高對環(huán)境和疾病的抵抗力等增強農業(yè)生產(chǎn)力和彈性，甚至徹底改變農業(yè)。
其中，土壤和植物微生物組之間的相互作用表征至關(guān)重要。土壤微生物組與氣候變化中的碳、氮和諸多其他要素的循環(huán)息息相關(guān)，并通過(guò)一些尚未被人類(lèi)認知的過(guò)程影響著(zhù)全球關(guān)鍵生態(tài)系統服務(wù)功能。加深對基本微生物組成部分的理解以及強化它們在養分循環(huán)中的作用對確保全球可持續農業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。
未來(lái)十年，美國將圍繞系統認知分析、精準動(dòng)態(tài)感知、數據科學(xué)、基因編輯、微生物組五大關(guān)鍵技術(shù)尋求農業(yè)領(lǐng)域的科技突破。這同樣是未來(lái)我國農業(yè)領(lǐng)域必須努力、不可或缺的關(guān)鍵核心技術(shù)。
同時(shí)，立足我國地薄質(zhì)劣的資源國情，我國科學(xué)家還需要在幾個(gè)顛覆現在、引領(lǐng)未來(lái)、開(kāi)創(chuàng )時(shí)代的重要領(lǐng)域，在山水林田湖草生命共同體重大科學(xué)問(wèn)題、土地資源安全與管控現代工程技術(shù)難題上取得突破。聚焦精準調查、精細感知、精明治理的科學(xué)技術(shù)體系，在一些關(guān)鍵核心技術(shù)上取得突破進(jìn)展，比如耕地質(zhì)量大數據、耕地健康診斷技術(shù)、生態(tài)良田構建技術(shù)、土壤生物多樣性保護和耕地養護技術(shù)、耕地系統演化模擬仿真技術(shù)；對一些重點(diǎn)區域進(jìn)行修復治理，比如黑土地整體保護、黃河流域系統修復、鹽堿地沙土地綜合治理；在國家發(fā)展的重大需求方面全力以赴，比如全球變化與低碳耕作制度研究、耕地資源智慧監測等。
新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)正在重構全球創(chuàng )新版圖，需要規劃好未來(lái)技術(shù)發(fā)展的路線(xiàn)圖，明確創(chuàng )新主攻方向，確定耕地資源是不可或缺的一環(huán)。
1. 整體思維和系統認知分析技術(shù)是實(shí)現農業(yè)科技突破的首要前提
農業(yè)系統是復雜巨系統，已經(jīng)很難再依靠“點(diǎn)”上的技術(shù)突破實(shí)現整體提升。報告建議將跨學(xué)科研究和系統方法作為解決重大關(guān)鍵問(wèn)題的首選項。系統認知就是要從系統的要素構成、互作機理和耦合作用來(lái)探索問(wèn)題解決的途徑。“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”，農業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)突破必須突破單要素思維，從資源利用、運作效率、系統彈性和可持續性的整體維度進(jìn)行思考。
我國農業(yè)生態(tài)效率不高、競爭力不強、生態(tài)不可持續的問(wèn)題主要是在土地資源的利用方式上。因此，農業(yè)領(lǐng)域的科技突破需要從土地資源的治理、修復、提升入手。
2. 新一代傳感器技術(shù)將成為推動(dòng)農業(yè)領(lǐng)域進(jìn)步的底層驅動(dòng)技術(shù)
量值定義世界，精準決定未來(lái)。美國將高精度、精準、可現場(chǎng)部署的傳感器以及生物傳感器的開(kāi)發(fā)、應用作為未來(lái)技術(shù)突破的關(guān)鍵。當前傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛應用在農業(yè)領(lǐng)域，但主要還集中在對單個(gè)特征如溫度的測量上，如果要同時(shí)了解整個(gè)系統運行的機理，連續監測多個(gè)特征的聯(lián)動(dòng)能力才是關(guān)鍵。
值得注意的是，新一代傳感器技術(shù)不僅僅包括對物理環(huán)境、生物性狀的監測和整合，更包括運用材料科學(xué)及微電子、納米技術(shù)創(chuàng )造的新型納米和生物傳感器，對諸如水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動(dòng)植物、環(huán)境時(shí)的循環(huán)運動(dòng)過(guò)程進(jìn)行監控。
新一代傳感器所具備的快速檢測、連續監測、實(shí)時(shí)反饋能力，將為系統認知提供數據基礎，賦予人類(lèi)“防治未病”的能力，即在出現病癥前就能發(fā)現問(wèn)題、解決問(wèn)題。如果能在資源要素的利用環(huán)節即可精準發(fā)現和定量識別可能出現的風(fēng)險問(wèn)題，并能夠實(shí)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調整，將徹底改變我國農業(yè)生產(chǎn)利用方式。因此，新一代傳感器技術(shù)將是我國必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)。
3. 數據科學(xué)和信息技術(shù)是農業(yè)領(lǐng)域的戰略性關(guān)鍵技術(shù)
數據科學(xué)和分析工具的進(jìn)步為提升農業(yè)領(lǐng)域研究和知識應用提供了重要的突破機遇。報告稱(chēng)，盡管收集了大量糧食、農業(yè)、資源等各類(lèi)數據，但由于實(shí)驗室研究和生產(chǎn)實(shí)踐中的數據一直處于彼此脫節的狀態(tài)，缺乏有效的工具來(lái)廣泛使用已有的數據、知識和模型。大數據、人工智能、機器學(xué)習、區塊鏈等技術(shù)的發(fā)展，提供了更快速地收集、分析、存儲、共享和集成異構數據的能力和高級分析方法。
換句話(huà)說(shuō)，數據科學(xué)和信息技術(shù)能夠極大地提高對復雜問(wèn)題的解決能力，將農業(yè)、資源等相關(guān)領(lǐng)域的大量研究成果應用在生產(chǎn)實(shí)踐中，在動(dòng)態(tài)變化條件下自動(dòng)整合數據并進(jìn)行實(shí)時(shí)建模，促進(jìn)形成數據驅動(dòng)的智慧管控。
4. 突破性的基因組學(xué)和精準育種技術(shù)應當鼓勵并采用
隨著(zhù)基因編輯技術(shù)的出現，有針對性的遺傳改良可以以傳統方法無(wú)法實(shí)現的方式對植物和動(dòng)物進(jìn)行改良。通過(guò)將基因組信息、先進(jìn)育種技術(shù)和精確育種方法納入常規育種和選擇計劃，可以精確、快速地改善對農業(yè)生產(chǎn)力和農產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響的生物性狀。
這種能力為培育新作物和土壤微生物、開(kāi)發(fā)抗病動(dòng)植物、控制生物對壓力的反應，以及挖掘有用基因的生物多樣性等打開(kāi)了技術(shù)大門(mén)。應當鼓勵并采用其中一些突破性技術(shù)，提高農業(yè)生產(chǎn)力、抗病抗旱能力以及農產(chǎn)品的營(yíng)養價(jià)值。
5.微生物組技術(shù)對認知和理解農業(yè)系統運行至關(guān)重要
通過(guò)近年來(lái)大量的研究報道，我們知道了人體微生物對身體健康的重要性，相比而言我們對農業(yè)中土壤、植物和動(dòng)物的微生物組及其影響還不夠了解。隨著(zhù)利用越來(lái)越復雜的工具探測農業(yè)微生物組，美國有望在未來(lái)十年實(shí)現突破性進(jìn)展，建立其農業(yè)微生物數據庫，更好地理解分子水平土壤、植物和動(dòng)物微生物組之間的相互作用，并通過(guò)改善土壤結構、提高飼料效率和養分利用率以及提高對環(huán)境和疾病的抵抗力等增強農業(yè)生產(chǎn)力和彈性，甚至徹底改變農業(yè)。
其中，土壤和植物微生物組之間的相互作用表征至關(guān)重要。土壤微生物組與氣候變化中的碳、氮和諸多其他要素的循環(huán)息息相關(guān)，并通過(guò)一些尚未被人類(lèi)認知的過(guò)程影響著(zhù)全球關(guān)鍵生態(tài)系統服務(wù)功能。加深對基本微生物組成部分的理解以及強化它們在養分循環(huán)中的作用對確保全球可持續農業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。
未來(lái)十年，美國將圍繞系統認知分析、精準動(dòng)態(tài)感知、數據科學(xué)、基因編輯、微生物組五大關(guān)鍵技術(shù)尋求農業(yè)領(lǐng)域的科技突破。這同樣是未來(lái)我國農業(yè)領(lǐng)域必須努力、不可或缺的關(guān)鍵核心技術(shù)。
同時(shí)，立足我國地薄質(zhì)劣的資源國情，我國科學(xué)家還需要在幾個(gè)顛覆現在、引領(lǐng)未來(lái)、開(kāi)創(chuàng )時(shí)代的重要領(lǐng)域，在山水林田湖草生命共同體重大科學(xué)問(wèn)題、土地資源安全與管控現代工程技術(shù)難題上取得突破。聚焦精準調查、精細感知、精明治理的科學(xué)技術(shù)體系，在一些關(guān)鍵核心技術(shù)上取得突破進(jìn)展，比如耕地質(zhì)量大數據、耕地健康診斷技術(shù)、生態(tài)良田構建技術(shù)、土壤生物多樣性保護和耕地養護技術(shù)、耕地系統演化模擬仿真技術(shù)；對一些重點(diǎn)區域進(jìn)行修復治理，比如黑土地整體保護、黃河流域系統修復、鹽堿地沙土地綜合治理；在國家發(fā)展的重大需求方面全力以赴，比如全球變化與低碳耕作制度研究、耕地資源智慧監測等。
新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)正在重構全球創(chuàng )新版圖，需要規劃好未來(lái)技術(shù)發(fā)展的路線(xiàn)圖，明確創(chuàng )新主攻方向，確定耕地資源是不可或缺的一環(huán)。
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